Как мы знаем, все материальные вещества могут пребывать в трех базовых состояниях: жидком, твердом, и газообразном. Правда есть еще состояние плазмы, которое ученые считают ни много ни мало четвертым состоянием вещества, но наша статья не о плазме. Твердое состояние вещества потому твердое, так как имеет особую кристаллическую структуру, частицы которой находятся в определенном и четко заданном порядке, создавая, таким образом, кристаллическую решетку. Строение кристаллической решетки состоит из повторяющихся одинаковых элементарных ячеек: атомов, молекул, ионов, других элементарных частиц, связанных между собой различными узлами.
Виды кристаллических решеток
В зависимости от частиц кристаллической решетки существует четырнадцать типов оной, приведем наиболее популярные из них:
- Ионная кристаллическая решетка.
- Атомная кристаллическая решетка.
- Молекулярная кристаллическая решетка.
- кристаллическая решетка.
Ионная кристаллическая решетка
Главной особенностью строения кристаллической решетки ионов являются противоположные электрические заряды, собственно, ионов, вследствие чего образуется электромагнитное поле, определяющее свойства веществ, имеющих ионную кристаллическую решетку. А это тугоплавкость, твердость, плотность и возможность проводить электрический ток. Характерным примером ионной кристаллической решетки может быть поваренная соль.
Атомная кристаллическая решетка
Вещества с атомной кристаллической решеткой, как правило, имеют в своих узлах, состоящих собственно из атомов сильные . Ковалентная связь происходит, когда два одинаковых атома делятся друг с другом по-братски электронами, образуя, таким образом, общую пару электронов для соседних атомов. Из-за этого ковалентные связи сильно и равномерно связывают атомы в строгом порядке – пожалуй, это самая характерная черта строения атомной кристаллической решетки. Химические элементы с подобными связями могут похвастаться своей твердостью, высокой температурой плавления. Атомную кристаллическую решетку имеют такие химические элементы как алмаз, кремний, германий, бор.
Молекулярная кристаллическая решетка
Молекулярный тип кристаллической решетки характеризуется наличием устойчивых и плотноупакованных молекул. Они располагаются в узлах кристаллической решетки. В этих узлах они удерживаются такими себе вандервальсовыми силами, которые в десять раз слабее сил ионного взаимодействия. Ярким примером молекулярной кристаллической решетки является лед – твердое вещество, имеющее однако свойство переходить в жидкое – связи между молекулами кристаллической решетки совсем слабенькие.
Металлическая кристаллическая решетка
Тип связи металлической кристаллической решетки гибче и пластичнее ионной, хотя внешне они весьма похожи. Отличительной особенностью ее является наличие положительно заряженных катионов (ионов метала) в узлах решетки. Между узлами живут электроны, участвующие в создании электрического поля, эти электроны еще называются электрическим газом. Наличие такой структуры металлической кристаллической решетки объясняет ее свойства: механическую прочность, тепло и электропроводность, плавкость.
Кристаллические решетки, видео
И в завершение подробное видео пояснения о свойствах кристаллических решеток.
В природе есть два вида твердых тел, которые заметно различаются своими свойствами. Это аморфные и кристаллические тела. И аморфные тела не имеют точной температуры плавления, они во время нагревания постепенно размягчаются, а затем переходят в текучее состояния. Примером таких веществ может служить смола или обычный пластилин. Но совсем по-другому дело обстоит с кристаллическими веществами. Они остаются в твердом состоянии до какой-то определенной температуры, и только достигнув ее, эти вещества расплавляются.
Здесь все дело в строении таких веществ. В кристаллических телах частицы, из которых они состоят, расположены в определенных точках. И если их соединить прямыми линиями, то получится некий воображаемый каркас, который так и называется - кристаллическая решетка. А типы кристаллических решеток могут быть самые разные. И по виду частиц, из которых они «построены», решетки делятся на четыре типа. Это ионная, атомная, молекулярная и
И в узлах соответственно, расположены ионы, и между ними существует ионная связь. могут быть как простыми (Cl-, Na+), так и сложными (OH-, SO2-). И такие типы кристаллических решеток могут содержать некоторые гидроксиды и оксиды металлов, соли и другие подобные вещества. Возьмем, к примеру, обычный хлорид натрия. В нем чередуются отрицательные ионы хлора и положительные ионы натрия, которые образуют кубическую кристаллическую решетку. Ионные связи в такой решетке весьма устойчивы и вещества, «построенные» по такому принципу, имеют достаточно высокую прочность и твердость.
Есть также типы кристаллических решеток, называемых атомными. Здесь в узлах расположены атомы, между которыми существует сильная ковалентная связь. Атомную решетку имеют не очень много веществ. К ним относится алмаз, а также кристаллический германий, кремний и бор. Есть еще некоторые сложные вещества, которые содержат и имеют, соответственно, атомную кристаллическую решетку. Это горный хрусталь и кремнезем. И в большинстве случаев такие вещества очень прочные, твердые и тугоплавкие. Также они практически нерастворимы.
А молекулярные типы кристаллических решеток имеют самые разные вещества. К ним относится замерзшая вода, то есть обычный лед, «сухой лед» - затвердевший оксид углерода, а также твердый сероводород и хлороводород. Еще молекулярные решетки имеют много твердых органических соединений. К ним относится сахар, глюкоза, нафталин и прочие подобные вещества. А молекулы, находящиеся в узлах такой решетки, связаны между собой полярными и неполярными химическими связями. И несмотря на то, что внутри молекул между атомами существуют прочные ковалентные связи, сами эти молекулы держатся в решетке за счет очень слабых межмолекулярных связей. Поэтому такие вещества достаточно летучи, легко плавятся и не обладают большой твердостью.
Ну а металлы имеют самые разные виды кристаллических решеток. И в их узлах могут находиться как атомы, так и ионы. При этом атомы могут легко превращаться в ионы, отдавая свои электроны в «общее пользование». Таким же образом ионы, «захватив» свободный электрон, могут становиться атомами. И такое решетки определяет такие свойства металлов, как пластичность, ковкость, тепло- и электропроводимость.
Также типы кристаллических решеток металлов, да и других веществ, делятся на семь основных систем по форме элементарных ячеек решетки. Самой простой является кубическая ячейка. Есть также ромбические, тетрагональные, гексагональные, ромбоэдрические, моноклинные и триклинные элементарные ячейки, которые определяют форму всей кристаллической решетки. Но в большинстве случаев кристаллические решетки являются более сложными, чем те, что перечислены выше. Это связано с тем, что элементарные частицы могут находиться не только в самих узлах решетки, а и в ее центре или на ее гранях. И среди металлов наиболее распространены такие три сложные кристаллические решетки: гранецентрированная кубическая, объемно-центрированная кубическая и гексагональная плотноупакованная. Еще физические характеристики металлов зависят не только от формы их кристаллической решетки, а и от межатомного расстояния и от других параметров.
Химия - удивительная наука. Столько невероятного можно обнаружить в, казалось бы, обычных вещах.
Всё материальное, что окружают нас повсюду, существует в нескольких агрегатных состояниях: газы, жидкости и твёрдые тела. Учёные выделили ещё и 4-е - плазму. При определённой температуре какое-либо вещество может переходить из одного состояние в другое. Например, вода: при нагревании свыше 100, из жидкой формы, превращается в пар. При температуре ниже 0 переходит в следующее агрегатную структуру - лёд.
Весь материальный мир имеет в своём составе массу одинаковых частиц, которые между собой связаны. Эти мельчайшие элементы строго выстраиваются в пространстве и образуют так называемый пространственный каркас.
Определение
Кристаллическая решётка - особая структура твёрдого вещества, при которой частицы стоят в геометрически строгом порядке в пространстве. В ней можно обнаружить узлы - места, где расположены элементы: атомы, ионы и молекулы и межузловое пространство.
Твёрдые вещества , в зависимости от диапазона высоких и низких температур, являются кристаллическими или аморфными - они характеризуются отсутствием определённой температуры плавления. При воздействии повышенных температур они размягчаются и постепенно переходят в жидкую форму. К такого рода веществам относятся: смола, пластилин.
В связи с этим можно поделить на несколько видов:
- атомную;
- ионную;
- молекулярную;
- металлическую.
Но при различных температурах одно вещество может иметь различные формы и проявлять многообразные свойства. Это явление называется аллотропной модификацией.
Атомный тип
В этом типе в узлах расположены атомы того или иного вещества, которые связаны ковалентными связями. Этот вид связи образован парой электронов двух соседних атомов. Благодаря этому они связываются равномерно и в строгом порядке.
Вещества с атомной кристаллической решёткой характеризуются следующими свойствами: прочность и большая температура плавления. Такой тип связи представлен у алмаза, кремния и бора .
Ионный тип
Противоположно заряженные ионы находятся на узлах, которые создают электромагнитное поле, характеризующее физические свойства вещества. К таковым будут относиться: электропроводность, тугоплавкость, плотность и твёрдость. Поваренная соль и нитрат калия характеризуются наличием ионной кристаллической решётки.
Не пропустите: механизм образования , конкретные примеры.
Молекулярный тип
В узлах такого типа находятся ионы, связанные между собой ван-дер-ваальсовыми силами. Благодаря слабым межмолекулярным связям такие вещества, например, лёд, двуокись углерода и парафин, характеризуются пластичностью, электро- и теплопроводностью.
Металлический тип
В своём строении напоминает молекулярную, но имеет всё же более прочные связи. Отличие данного типа в том, что на её узлах находятся положительно заряженные катионы . Электроны, которые находятся в межузловом
пространстве, участвуют в образовании электрического поля. Они ещё носят название электрического газа.
Простые металлы и сплавы, характеризуются металлическим типом решётки. Для них характерно наличие металлического блеска, пластичность, тепло- и электропроводность. Они могут плавиться при различных температурах.
Кристаллическая решетка – система точек, расположенных в равных, параллельно ориентированных вершинах и смежных по граням параллелепипедов без промежутков, заполняющих пространство точек, называющимися узлами, прямые - рядами, плоскости - сетками, параллелепипеды называются элементарными ячейками.
Типы кристаллических решеток: атомная – если в узлах расположены атомы, ионная – если в узлах расположены ионы, молекулярная - если в узлах расположены молекулы
2.Свойства кристаллических веществ - однородность, анизотропность, способность самоограняться.
Однородность - два одинаковых элементарных объема вещества параллельно ориентированых в пространстве, но выделены в разных точках вещества, абсолютно одинаковы по свойствам (берилл - турмалин).
Анизотропность - в разных направлениях кристаллической решетки в непараллельных направлениях многие свойства (н-р, прочность, твердость, показатель преломления) различны.
Способность самоограняться – свойство кристаллов при свободном росте образовывать правильно ограненные многогранники.
Свойство постоянства двугранных узлов – углы м/у соответствующимигранями и ребрами во всех кристаллах одного и того же вещества одинаковы.
3.Понятие сингонии. На какие категории подразделяются сингонии.
Сингония – совокупность видов симметрий, имеющая 1 или или несколько общих элементов симметрии, при равном числе единичных направлений. С. к. характеризуется соотношениями между осями а, b, с и углами ячейки.
Существует 7 Делятся на:
Низшую( не имеют осей симметрии выше второго порядка)
Среднюю (они имеют одну ось симметрии высшего порядка)
Единичные направления – направления, неповторяющиеся в кристаллах.
Являясь наиболее крупным классификационным подразделением в симметрии кристаллов, каждая С. к. включает в себя несколько точечных групп симметрий и Браве решёток.
4.Простые формы и комбинации. Физический смысл выделения простых форм в кристалле.
По внешнему виду кристаллы делятся на простые формы и комбинации. Простые формы – кристаллы полученные из одной грани путем действия на нее элемента симметрии.
Элементы симметрии:
геометрический образ
плоскость симметрии – плоскость перпендикулярная изображению, разделяющая фигуру на 2 части, соотносящиеся как предмет и его зеркальное отражение.
Ось симметрии – это прямая, перпендикулярная изображению, при повороте вокруг которой на 360 о фигура совмещается сама с собой n раз.
Центр симметрии – точка внутри кристалла характеризующаяся тем, что каждая проводимая через нее прямая встречается с двух сторон на одинаковом расстояниях идентичные точки.
Комбинации - кристаллы, состоящие из граней, различного типа, отличающихся по форме и размеру. Образуются сочетанием двух или более простых форм. Сколько на равномерно развитом кристалле типов граней столько в нем и простых форм.
Выделение граней разного типа имеет физический смысл , поскольку разные грани растут с различной скоростью и имеют разные свойства (твердость, плотность, показатель преломления).
Простые формы бывают открытые и закрытые. Закрытая простая форма с помощью граней одного типа самостоятельно замыкает пространство (тетрагональная дипирамида), открытая простая форма может замыкать пространство только в сочетании с другими простыми формами (тетрагональная пирамида+плоскость.) Всего существует 47 простых форм. Все они подразделяются по категриям:
Моноэдр - простая форма, представленная одной гранью.
Пинакоид - две равные параллельные грани, которые могут быть обратно расположенными.
Диэдр - две равные пересекающиеся грани (могут пересекаться на своём продолжении) .
Ромбическая призма - четыре равных попарно параллельных грани; в сечении образуют ромб.
Ромбическая пирамида четыре равные пересекающиеся грани; в сечении также образуют ромб. Перечисленные простые формы относятся к открытым, так как они не замыкают пространства. Присутствие в кристалле открытых простых форм, например, ромбической призмы обязательно вызывает присутствие других простых форм, например, пинакоида или ромбической дипирамиды, необходимых для того, чтобы получилась замкнутая форма.
Из закрытых простых форм низших сингоний отметим следующие. Ромбическая дипирамида две ромбические пирамиды, сложенные основаниями; форма имеет восемь разных граней, дающих в поперечном сечении ромб; Ромбический тетраэдр четыре грани, замыкающие пространство и имеющие форму косоугольных треугольников.
Средняя категория (сингонии: триклинная, тетрагональная, гексагональная)– 27 п.ф.: моноэдр, пинокоид, 6 дипирамид, 6 пирамид, 6 призм, тетраэдр, ромбоэдр, 3 трапециэдра (грани в форме трапеции), 2 скаленоидра (образуются путем удвоения граней тетраэдра и ромбоэдра).
Высшая категория – 15 п.ф.: основными являются тетраэдр, октаэдр, куб. Если вместо одной грани появляются 3 грани – тритетраэдр, если 6 – гексатетраэдр, если 4 – тетратетраэдр. Грани могут быть 3х, 4х, 5тиугольные: 3х – тригон, 4х – тетрагон, 5ти – пентагон.
Простой формой кристалла называют семейство граней, взаимосвязанных симметрическими операциями данного класса симметрии. Все грани, образующие одну простую форму кристалла, должны быть равны по размеру и форме. В кристалле могут присутствовать одна или несколько простых форм. Сочетание нескольких простых форм называется комбинацией.
Закрытыми называют такие формы, грани которых полностью замыкают заключенное между ними пространство, как, например, куб;
Открытые простые формы не замыкают пространство и не могут существовать самостоятельно, а только в комбинациях. Например, призма + пинакоид.
|
|
|
Рис.6. Простые формы низшей категории: моноэдр (1), пинакоид (2), диэдр (3). |
Моноэдр (от греч. "моно"- один, "эдра"- грань) - простая форма, представленная одной единственной гранью. Моноэдром является, например, основание пирамиды.
Пинакоид (от греч."пинакс"- доска) - простая форма, состоящая из двух равных параллельных граней, часто обратно ориентированных.
Диэдр (от греч."ди" - два, "эдр"- грань) - простая форма, образованная двумя равными пересекающимися (иногда на своем продолжении) гранями, образующими "прямую крышу".
Ромбическая призма - простая форма, которая состоит из четырех равных, попарно параллельных граней, которые в сечении образуют ромб.
Ромбическая пирамида - простая форма состоит из четырех равных пересекающихся граней; в сечении также - ромб. Из закрытых простых форм низших сингоний отметим следующие:
Ромбическая дипирамида две ромбические пирамиды, сложенные основаниями. Форма имеет восемь равных граней, дающих в поперечном сечении ромб.
Ромбический тетраэдр - простая форма, четыре грани которой имеют форму косоугольных треугольников и замыкают пространство.
Открытыми простыми формами сингоний средней категории будут призмы и пирамиды.Тригональная призма (от греч."гон"- угол) - три равных грани, пересекающихся по параллельным ребрам и образующих в сечении равносторонний треугольник;
Тетрагональная призма (от греч."тетра"- четыре) - четыре равных попарно параллельных грани, образующих в сечении квадрат;
Гексагональная призма (от греч."гекса"- шесть) - шесть равных граней, пересекающихся по параллельным ребрам и образующих в сечении правильный шестиугольник.
Названия дитригональных, дитетрагональных и дигексагональных получили призмы с удвоенным числом граней, когда все грани равны, а одинаковые углы между гранями чередуются через один.
Пирамиды - простые формы кристаллов средней категории могут быть, также как и призмы, тригональными (и дитригональными), тетрагональными (и дитетрагональными), гексагональными(и дигексагональными). Они образуют в сечении правильные многоугольники. Грани пирамид располагаются под косым углом к оси симметрии высшего порядка.
В кристаллах средней категории встречаются так же закрытые простые формы. Таких форм несколько:
Дипирамиды - простые формы, образованные двумя равными пирамидами, сложенными основаниями. В таких формах происходит удвоение пирамиды горизонтальной плоскостью симметрии, перпендикулярной главной оси симметрии высшего порядка (рис. 8). Дипирамиды, как и простые пирамиды, в зависимости от порядка оси могут иметь различные формы сечения. Они могут быть тригональными, дитригональными, тетрагональными, дитетрагональными, гексагональными и дигексагональными.
Ромбоэдр - простая форма, которая состоит из шести граней в виде ромбов и напоминает вытянутый или сплющенный по диагонали куб. Он возможен только в тригональной сингонии. Верхняя и нижняя группа граней повернуты относительно друг друга на угол 60о таким образом, что нижние грани располагаются симметрично между верхними.
Большинство твердых веществ имеет кристаллическое строение. Кристаллическая решетка построена из повторяющихся одинаковых структурных единиц, индивидуальных для каждого кристалла. Эта структурная единица носит название “элементарная ячейка”. Другими словами, кристаллическая решетка служит отображением пространственной структуры твердого вещества.
Классифицировать кристаллические решетки можно различным образом.
I. По симметрии кристаллов решетки классифицируются на кубические, тетрагональные, ромбические, гексагональные.
Эта классификация удобна при оценке оптических свойств кристаллов, а также их каталитической активности.
II. По природе частиц , находящихся в узлах решетки и по типу химической связи между ними различают атомные, молекулярные, ионные и металлические кристаллические решетки . Тип связи в кристалле определяет различие в твердости, растворимости в воде, величине теплоты растворения и теплоты плавления, электрической проводимости.
Важной характеристикой кристалла является энергия кристаллической решетки, кДж/моль – энергия, которую необходимо затратить на разрушение данного кристалла.
Молекулярная решетка
Молекулярные кристаллы состоят из молекул, удерживаемых в определенных положениях кристаллической решетки слабыми межмолекулярными связями (вандерваальсовыми силами) или водородными связями. Эти решетки характерны для веществ с ковалентными связями.
Веществ с молекулярной решеткой очень много. Это большое число органических соединений (сахар, нафталин и др.), кристаллическая вода (лед), твердый углекислый газ (“сухой лед”), твердые галогеноводороды, иод, твердые газы, в том числе и благородные,
Минимальна энергия кристаллической решетки у веществ с неполярными и малополярными молекулами (СН 4 , СО 2 и т.п.).
Решетки, образованные более полярными молекулами, имеют и более высокую энергию кристаллической решетки. Наибольшей энергией обладают решетки с веществами, образующими водородные связи (Н 2 О, NН 3).
Из-за слабого взаимодействия между молекулами эти вещества летучи, легкоплавки, имеют небольшую твердость, не проводят электрический ток (диэлектрики) и обладают низкой теплопроводностью.
Атомная решетка
В узлах атомной кристаллической решетки находятся атомы одного или различных элементов, связанных между собой ковалентными связями по всем трем осям. Такие кристаллы , которые называют также ковалентными , сравнительно немногочисленны.
Примерами кристаллов этого типа могут служить алмаз, кремний, германий, олово, а также кристаллы сложных веществ, таких как нитрид бора, нитрид алюминия, кварц, карбид кремния. Все эти вещества имеют алмазоподобную решетку.
Энергия кристаллической решетки в таких веществах практически совпадает с энергией химической связи (200 – 500 кДж/моль). Это определяет и их физические свойства: высокие твердость, температура плавления и температура кипения.
Разнообразны электропроводящие свойства этих кристаллов: алмаз, кварц, нитрид бора – диэлектрики; кремний, германий – полупроводники; металлическое серое олово хорошо проводит электрический ток.
В кристаллах с атомной кристаллической решеткой нельзя выделить отдельную структурную единицу. Весь монокристалл представляет собой одну гигантскую молекулу .
Ионная решетка
В узлах ионной решетки чередуются положительные и отрицательные ионы, между которыми действуют электростатические силы. Ионные кристаллы образуют соединения с ионной связью, например, хлорид натрия NaCl, фторид калия и KF и др. В состав ионных соединений могут входить и сложные ионы, например, NO 3 - , SO 4 2 - .
Ионные кристаллы также представляют собой гигантскую молекулу, в которой каждый ион испытывает значительной воздействие со стороны всех остальных ионов.
Энергия ионной кристаллической решетки может достигать значительных величин. Так, Е (NaCl) = 770 кДж/моль, а Е (ВеО) = 4530 кДж/моль.
Ионные кристаллы имеют высокие температуры плавления и кипения и высокую прочность, но хрупки. Многие из них плохо проводят электрический ток при комнатной температуре (примерно на двадцать порядков ниже, чем у металлов), но с ростом температуры наблюдается увеличение электрической проводимости.
Металлическая решетка
Кристаллы металлов дают примеры простейших кристаллических структур.
Ионы металла в решетке металлического кристалла можно приближенно рассматривать в виде шаров. В твердых металлах эти шары упакованы с максимальной плотностью, на что указывает значительная плотность большинства металлов (от 0,97 г/см 3 у натрия, 8,92 г/см 3 у меди до 19,30 г/см 3 у вольфрама и золота). Наиболее плотная упаковка шаров в одном слое – это гексагональная упаковка, в которой каждый шар окружен шестью другими шарами (в той же плоскости). Центры любых трех соседних шаров образуют равносторонний треугольник.
Такие свойства металлов, как высокие тягучесть и ковкость, указывают на отсутствие жесткости в металлических решетках: их плоскости довольно легко сдвигаются одна относительно другой.
Валентные электроны участвуют в образовании связи со всеми атомами, свободно перемещаются по всему объему куска металла. На это указывают высокие значения электропроводимости и теплопроводности.
По энергии кристаллической решетки металлы занимают промежуточное положение между молекулярными и ковалентными кристаллами. Энергия кристаллической решетки составляет:
Таким образом, физические свойства твердых веществ существенно зависят от типа химической связи и структуры.
Структура и свойства твердых веществ
| Характеристики | Кристаллы | |||
| Металлические | Ионные | Молекулярные | Атомные | |
| Примеры | K, Al, Cr, Fe | NaCl, KNO 3 | I 2 , нафталин | алмаз, кварц |
| Структурные частицы | Положительные ионы и подвижные электроны | Катионы и анионы | Mолекулы | Атомы |
| Тип химической связи | Металлическая | Ионная | В молекулах – ковалентная; между молекулами – вандерваальсовы силы и водородные связи | Между атомами – ковалентная |
| t плавления | Высокая | Высокая | Невысокая | Очень высокая |
| t кипения | Высокая | Высокая | Невысокая | Очень высокая |
| Механические свойства | Твердые, ковкие, тягучие | Твердые, хрупкие | Мягкие | Очень твердые |
| Электропроводность | Хорошие проводники | В твердом виде – диэлектрики; в расплаве или растворе – проводники | Диэлектрики | Диэлектрики (кроме графита) |
| Растворимость | ||||
| в воде | Нерастворимы | Растворимы | Нерастворимы | Нерастворимы |
| в неполяр- ных раство- рителях | Нерастворимы | Нерастворимы | Растворимы | Нерастворимы |
(Все определения, формулы, графики и уравнения реакций даются под запись.)